LUẬN VĂN THIẾT KẾ MÔN HỌC TỔNG HỢP HỆ ĐIỆN CƠ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ TÀU BIỂN THIẾT KẾ MÔN HỌC TỔNG HỢP HỆ ĐIỆN CƠ Đề bài: Cho hệ truyền động vị trí sử dụng động – vít me truyền động cho đối tượng Xây dựng điều khiển cho hệ sử dụng động truyền động động chiều kích từ độc lập Với thông số sau: Thông số kỹ thuật Yêu cầu  Xây dựng mô hình động  Công suất động 10KW chiều  Điện áp nguồn 110 VDC  Xây dựng mô hình điều khiển cho  Trọng lượng tải 4000kg hệ  Tốc độ lớn 0.05m/s  Tính chọn điều khiển  Hệ số ma sát 0.5  Mô đáp ứng simualink  Tỉ số hộp truyền 10/1 với nhiễu, tải khác đánh giá kết Giáo viên hướng dẫn : TRẦN TIẾN LƯƠNG Sinh viên : ĐINH VĂN MẠNH Msv : 39190 Lớp : ĐTĐ51-ĐH2 ĐỀ CƯƠNG SƠ BỘ Chương XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.1 ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.1.1 Tổng quan máy điện chiều 1.1.2 Đặc tính động điện chiều 1.2 MÔ HÌNH TOÁN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.2.1 Mô hình toán động điện chiều chế độ xác lập 1.2.2 Chế độ độ động điện chiều 1.2.3 Trường hợp động kích từ độc lập có từ thông không đổi 1.3 HÀM TRUYỀN BỘ BIẾN ĐỔI 1.4 VISME 1.4.1 Cấu tạo nguyên lý 1.4.2 Ưu - nhược điểm visme Chương XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ 2.1 SƠ ĐỒ TỔNG QUÁT HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 2.2 TỔ HỢP MẠCH ĐIỀU KHIỂN DÒNG 2.2.1 Cấu trúc mạch vòng điều khiển dòng 2.2.2 Tổng hợp điều khiển RI 2.3 TỔNG HỢP MẠCH ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ 2.3.1 Tổng hợp điều khiển tốc độ có mạch điều khiển dòng 2.4 TỔNG HỢP MẠCH ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ Chương MÔ PHỎNG ĐÁP ỨNG TRÊN SIMUALINK VỚI CÁC NHIỄU, TẢI KHÁC NHAU VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 3.1 TÍNH TOÁN CÁC GIÁ TRỊ MÔ PHỎNG 3.1.1 Các thông số biết 3.1.2 Các thông số chọn 3.1.3 Tính toán thông số 3.2 MÔ PHỎNG TRÊN SIMULINK 3.3 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 3.3.1 Với mô men cản Mc = 0; điện áp đặt 10v 3.3.2 Với Momen cản Mc = 100; điện áp đặt 10v Giáo viện hướng dẫn Trần Tiến Lương Sinh viên Đinh Văn Mạnh MỤC LỤC Lời nói đầu………………………………………………………………………….6 Chương XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.1 ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU …………………………………………… 1.1.1 Tổng quan máy điện chiều ………………………………………… a) Khái niệm.……………………………………………………………………….7 b) Cấu tạo.………………………………………………………………………….7 c) Phân loại …………… …………… …………… …………… …………… d) Ưu – nhược điểm máy điện chiều…………… ……………………….9 1.1.2 Đặc tính động điện chiều kích từ độc lập ……………………10 1.2 MÔ HÌNH TOÁN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU …………………………11 1.2.1 Mô hình toán động điện chiều chế độ xác lập ……………….12 1.2.2 Chế độ độ động điện chiều …………… ………………….12 1.2.3 Trường hợp động kích từ độc lập có từ thông không đổi ……………….14 1.3 HÀM TRUYỀN BỘ BIẾN ĐỔI ……………… …………… …………… 15 1.4 VISME …………… …………… …………… …………… …………… 16 1.4.1 Cấu tạo nguyên lý …………… …………… ………………………….16 a) Cấu tạo …………… …………… …………… …………… ………………16 b) Nguyên lý…………… …………… …………… …………… ……………17 1.4.2 Ưu - nhược điểm visme …………… …………… …………… …….17 Chương XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ 2.1 SƠ ĐỒ TỔNG QUÁT HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN …………… ………….18 2.2 TỔNG HỢP MẠCH ĐIỀU KHIỂN DÒNG……… ……………………….19 2.2.1 Cấu trúc mạch vòng điều khiển dòng …………… ……………………… 19 2.2.2 Tổng hợp điều khiển RI …………… …………… …………………….20 2.3 TỔNG HỢP MẠCH ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ …………… ……………… 22 2.4 TỔNG HỢP MẠCH ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ …………… ………………… 24 Chương MÔ PHỎNG ĐÁP ỨNG TRÊN SIMUALINK VỚI CÁC NHIỄU, TẢI KHÁC NHAU VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 3.1 TÍNH TOÁN CÁC GIÁ TRỊ MÔ PHỎNG.…………… ………………… 25 3.1.1 Các thông số biết … ………………………………………………… 25 3.1.2 Các thông số tính chọn ……………………………………………………25 3.1.3 Tính toán thông số ………….…………… …………… …………………25 3.2 MÔ PHỎNG TRÊN SIMULINK …………… …………… ……………….28 3.3 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG …………… …………… ……………………… 29 3.3.1 Với momen cản Mc = 0; điện áp đặt 10v ………………………………… 29 3.3.2 Với momen cản Mc = 0; điện áp đặt 10v……………………………………32 LỜI NÓI ĐẦU Hiện động điện chiều đóng vai trò quan trọng ngành công nghiệp sống Động điện chiều ứng dụng phổ biến ngành công nghiệp khí, nhà máy cán thép, nhà máy xi măng, tàu điện ngầm cánh tay robot ; để thực nhiệm vụ công nghiệp đại với độ xác cao, lắp ráp dây chuyền sản xuất, yêu cầu có điều khiển tốc độ Đối với phương pháp điều khiển kinh điển, cấu trúc đơn giản bền vững nên điều khiển PID ( tỉ lệ, tích phân, đạo hàm ) dùng phổ biến hệ điều khiển công nghiệp Mục tiêu điều khiển nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển tự động Tuy nhiên, thực tế có nhiều đối tượng điều khiển khác nhau, với yêu cầu đặc tính phức tạp khác Do cần phải tiến hành nghiên cứu, tìm phương pháp điều khiển cho hệ truyền động điện ngày đạt chất lượng điều chỉnh cao, mức chi phí thấp hiệu đạt cao nhất, đáp ứng yêu cầu tự động hóa truyền động điện dây chuyền sản xuất Trong học kì em nhận đề tài : “Cho hệ truyền động vị trí sử dụng động – vít me truyền động cho đối tượng Xây dựng điều khiển cho hệ sử dụng động truyền động động chiều kích từ độc lập” Em xin chân thành cảm ơn giúp đỡ bảo tận tình thầy Trần Tiến Lương trình làm đồ án môn học với đề tài Mặc dù dành nhiều cố gắng không tránh khỏi sai sót định, em mong góp ý, bảo thêm thầy, cô Chương XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.1 ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.1.1 Tổng quan máy điện chiều a) Khái niệm Động điện chiều loại máy điện làm việc với nguồn điện chiều Chúng vận hành theo chế độ máy phát theo chế độ động Nghĩa máy điện chiều biến đổi thành điện ngược lại b) Cấu tạo Cấu tạo máy điện chiều gồm phần chính: - Stato: Còn gọi phần cảm có nhiệm vụ tạo từ thông máy, thường chế tạo gang hay thép đúc Stato mạch từ vỏ máy bao bọc phận bên Phía mặt stato gắn cực từ, phần cuối cực từ làm loe tạo thành đầu cực từ, thân cực từ có gắn cuộn dây kích từ Hình 1.1 Cấu tạo máy điện chiều - Roto: gọi là phần ứng, gồm lõi thép dây quấn phần ứng - Lõi thép: có hình trụ ghép từ ghép kĩ thuật điện, ghép cách điện với nhờ sơn cách điện để giảm tổn hao dòng điện xoáy Hình 1.2 Lá thép stato Chung quanh thép dập rãnh để ghép lại tạo thành rãnh đặt cuộn dây phần ứng Giữa thép có dập lỗ lắp trục lỗ trêm dọc Ngoài lõi thép dập số lỗ thông gió để làm mát Thân máy, cực từ lõi thép phần ứng tạo thành mạch từ máy điện chiều Dây quấn tạo thành từ nhiều phần tử dây quấn, phần tử gồm nhiều vòng dây xếp rãnh lõi thép Hai đầu phần tử nối với với phiến góp, cạnh tác dụng phần tử xếp rãnh nằm cực khác tên Phần ứng bắt chặt trục thép, hai đầu trục có gắn bạc đạn Nắp máy giữ cố định hai bạc đạn bắt chặt vào thân máy bu-lông xuyên - Cổ góp – chổi than Cổ góp – chổi than có nhiệm vụ truyền điện phần ứng máy điện với thiết bị bên Khi hoạt động chế độ máy phát điện cổ góp có nhiệm vụ chỉnh lưu điện áp xoay chiều thành điện áp chiều trước đưa mạch điện Hình 1.3 Cổ góp chổi than Cổ góp tạo thành từ việc ghép nhiều phiến góp đồng thành hình trụ tròn, sau gắn vào trục roto, phiến góp có cách điện với cách điện với trục lớp mica mỏng Một đầu phiến góp xẻ rãnh để hàn với đầu dây phần tử dây quấn phần ứng Chổi than gọi chổi điện làm từ than graphit đặt giá đỡ hình hộp Chổi than di chuyển dọc theo trục giá đỡ, giá đỡ cách điện bắt chặt vào nắp máy Một đầu chổi than tì sát lên bề mặt cổ góp, đầu lại có lò xo ép chặt Các đầu dây phần tử dây quấn phần ứng nối với cổ góp tạo thành mạch điện khép kín Khi chổi than ép vào phiến góp chia dây quấn phần ứng thành mạch nhánh song song c) Phân loại Máy điện chiều phân loại theo dạng mạch kích từ: - Mấy điện chiều kích từ song song - Máy điện chiều kích từ độc lập - Máy điện chiều kích từ hỗn hợp d) Ưu – nhược điểm máy điện chiều - Ưu điểm máy điện chiều: Ưu điểm bật máy điện chiều có momen mở máy lớn, kéo tải nặng khởi động Ngoài ra, phạm vi điều chỉnh tốc độ rộng, khoảng nhảy cấp tốc độ nhỏ phù hợp với hệ thống tự động hóa cần thay đổi mịn tốc độ - Khuyết điểm: Nhược điểm chủ yếu máy điện chiều phận cổ góp có cấu tạo phức tạp đắt tiền hoạt động tin cậy thường hư hỏng trình vận hành nên cần bảo dưỡng sửa chữa thường xuyên Ngoài ra, tia lửa điện phát sinh cổ góp – chổi than gây nguy hiểm môi trường dễ cháy nổ Nhược điểm mạng điện cung cấp chủ yếu dạng xoay chiều nên cần cho máy điện chiều hoạt động phải có chỉnh lưu máy phát điện chiều kèm 1.1.2 Đặc tính động điện chiều kích từ độc lập Khi mạch điện chiều có công suất không đủ lớn mạch điện phần ứng mạch kích từ mắc vào nguồn độc lập với nhau, lúc động gọi động kích từ độc lập Hình 1.4 Sơ đồ nối dậy động điện chiều kích từ độc lập Phương trình đặc tính cơ:   Uö R  Rf  ö  M đñt kđñm  k 2 đm Với Uư: điện áp phần ứng Rư: điện trở mạch phần ứng Rf: điện trở phụ mạch phần ứng 10 thường gặp truyền động quay ăng ten, quay rada, cấu ăn dao máy cắt gọt kim loại… - Hệ điều chỉnh tự động truyền động theo chương trình, thực chất hệ điều khiển vị trí đại lượng điều khiển phải tuân theo chương trình định trước, thông thường đại lượng điều khiển quỹ đạo chuyển động không gian phức tạp nên cấu trúc thường gồm nhiều trục, chương trình điều khiển ghi lại bìa, băng, đĩa từ… thường gặp hệ điều khiển theo chương trình trung tâm gia công cắt gọt kim loại, hoạt động robot sản xuất 2.2 TỔNG HỢP MẠCH ĐIỀU KHIỂN DÒNG 2.2.1 Cấu trúc mạch vòng điều khiển dòng Hình 2.2 Cấu trúc mạch vòng điều khiển dòng Mạch vòng điều khiển có nhiệm vụ tăng đáp ứng dòng điện điều khiển động chiều, hạn chế dong điện động không vượt ngưỡng cho phép Mặt khác nhiệm vụ điều khiển thiết lập giá trị dòng giá trị điều khiển trước tác động nhiễu Đối với động chiều điều khiển dòng tổng hợp theo hai cách: - Tổng hợp điều khiển RI bỏ qua sức điện động phần ứng - Tổng hợp điều khiển RI có tính đến sức điện động phần ứng Trong trường hợp quán tính lớn so với quán tính điện nghĩa thời điểm xem thay đổi dòng điện lớn nhiều lần so với thay đổi 19 tốc độ điểm xem tốc độ không đổi Khi cần điều khiển xác ta cần phải tính đến xác xuất điện động động 2.2.2 Tổng hợp điều khiển RI Trong hệ thống truyền động điện tự động hệ chấp hành mạch vòng điều chỉnh dòng điện mạch vòng có chức mạch vòng dòng điện trực tiếp gián tiếp xác định mô men kéo động cơ, có chức bảo vệ, điều chỉnh gia tốc Hình 2.3 Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện Trong đó: Tö  Lö số điện từ động Rö Ti  R.C : Hằng số thời gian cảm biến (sensor) dòng điện Bỏ qua ảnh hưởng suất điện động ta có: Hình 2.4 Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện bỏ qua E Bỏ qua ảnh hưởng sức điện động ta có sơ đồ cấu trúc thu gọn sau: 20 Hình 2.5 Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng dòng điện Trong SI mô hình đói tượng điều khiển dòng SI  Rö k bñ kI I(p)    U đk (p)  Tö p 1  Tbñđ p1  Tv  p  TI  p TSI  TSI  TV  Tđk  Tö , bỏ qua hệ số bậc cao ta có: SI  K CL  K I Rö 1  TSI  p1  Tö  p Áp dụng tiêu chuẩn modul tối ưu ta có hàm truyền hệ thống kín: FI (p)  1  2i  2i2 Mặt khác theo hình 2.5 ta có: FI (p)  SI (p).RI (p) FI (p)  RI (p)   SI (p).RI (p) SI (p)  FI (p)SI (p) RI (p)  K CL K I Rö  2i p1  2i p  T p  T p  SI  ö  Chọn i   TSI , Tö   TSI Vậy ta có hàm truyền điều chỉnh dòng điện: RI (p)   pTö Rö  2p.K I K CL TSI Rö 2.K CL K I TSI  1   Tö   p  Kết tổng hợp mạch vòng phương pháp tối ưu: 21 FI (p)  KI KI   2TSI p  2TSI2 p2  2TSI p 2.3 TỔNG HỢP MẠCH VÒNG ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ R Trong cấu trúc điều khiển tốc độ người ta thường dùng cấu trúc nối tầng với vòng vòng điều khiển dòng, vòng vòng điều khiển tốc độ Tuy nhiên trường hợp cấu trúc nhỏ điều khiển tốc độ có yêu cầu chất lượng không cao người ta bỏ qua mạch vòng dòng điện Hình 2.6 Sơ đồ cấu trúc mạch vòng tốc độ Theo hình 2.6 ta có đối tượng cho điều khiển: S  k KI k Cu ; với hàm truyền khâu đo    2TSI p J.p  T p  T p - Khi tổng hợp điều khiển dòng theo tiêu chuẩn modul tối ưu, với giá trị TSI nhỏ ta được: FI ( p)  KI KI   2TSI p  2TSI2 p2  2TSI p 22 Hình 2.7 Sơ đồ rút gọn mạch vòng vị trí S  R  k  Cu K I ; với 2TSV  2TSI  TV Jp1  2TS p C u k    2p1  p J  k I p1  2TS  Áp dụng phương pháp tối ưu ta có: R  k  Cu K I  2p1  p Jp1  2TS p Đặt   2TS  R  k  Cu 4TS KIJ Từ công thức ta thấy R  K I J k  Cu.4T Kết tổng hợp modul tối ưu có TS nhỏ nên ta có: k    F  ñđ  p.TS 23 2.4 MẠCH VÒNG ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ Hình 2.8 Mạch vòng điều khiển vị trí - Ta có hàm truyền kín mạch vòng tốc độ sau: F  k  T - Đối tượng điều khiển cho mạch vòng dịch chuyển vị trí: S  k k k r    4TS p  T  p - Áp dụng tiêu chuẩn module tối ưu ta có: R  1  k S.2..p1  p k k r    .p1  p  4TS p  T  p - Đặt T   Ta có: R  k 1  4TS p k r k T Bộ điều khiển vị trí tổng hợp theo phương pháp tối ưu P–D 24 Chương MÔ PHỎNG TRÊN SIMULINK 3.1 TÍNH TOÁN THÔNG SỐ MÔ PHỎNG 3.1.1 Các thông số biết - Pđm = 11 KW - Uđm = 220 V - Iđm = 59.5 A - nđm = 1500 v/p - Rư = 0.197  - Lư = 0,014 H - J = 0.56 kg.m2 - Tỉ số truyền: i = 10 - Đường kính trục visme : D = 0.1m 3.1.2 Các thông số chọn: - TI = 0.002s - T= 0,001 s - Tbd = 0,002 s - Tv = 0,003 s - T = 0,2 s 3.1.3 Tính toán thông số - Tốc độ góc:   - Từ thông: k  2n    1500   157 (rad/s) 60 60 U đm  I đmRö 220  59.5  0.197   1.3  157 - Hằng số thời gian phần ứng: Tö  - Hàm truyền động cơ: WD ( p)  L ö 0.014   0.07 (s) Rö 0.197 Rö 0.197    Tö  p  0.07 p  0.07 p 25 - Hàm truyền biến đổi: Chọn U ñ  10V  k bñ  Wbbñ  220  22 10 K bñ 22  1  Tv p1  Tbđp 1  0.03p1  0.025p - Bộ điều khiển dòng: TSI  Tv  TI  Tbñđ 0.003  0.002  0.002  0.007(s) KI  Uñ  0.168 I đñm Vậy: RI   RI  Rö Tö 2.K bđ.K I TSI    1    p.Tö   0.197  0.07  1    0.2665  3.8072p  22  0.168  0.007  0.07 p  - Bộ điều khiển tốc độ TS  0.5(2TSI  T )  0.0075(s) k S    R  10  0.064 157 K I J 0.168  0.56   37.69 k  Cu.4TS 0.064  1.3   0.0075 - Bộ điều khiển vị trí Chọn L = 5m; Dvisme = 0.1  R = 0.05m  L   100(rad) R 0.05 k  U đñ 10   0.1  100 Hệ số khuếch đại k r   0.01 i 26 Vậy: R  R  k 1  4TS p k r k  T 0.064 1   0.0075p  0.1  0.1  0.2  R  1.6  0.48p - Khâu đo dòng: - Khâu đo : - Khâu đo : kI 0.168   TI p  0.002p k 0.064   T p  0.001p k 0.01  T p  0.2p  27 3.2 MÔ PHỎNG TRÊN SIMULINK 15 Constant PD(s) BDK vi tri P(s) BDK toc PI(s) BDK dong bu tich phan s 3.8072 0.1 khau han che Do vi tri1 22 0.003s+1 Scope1 0.002s+1 1/(Tv.p+1) khau han che Scope4 Kbd/(1+Tbd.p) 0.168 Do dong 0.002s+1 0.064 0.001s+1 Do toc 0.10 0.2s+1 Do vi tri Scope5 0.07s+1 1/(Tu.p+1) Cu 1.3 Mc 100 1.3 Cu Scope2 Scope3 1/Jp 0.56s Khuech dai TD 10s 28 3.3 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 3.3.1 Với mô men cản Mc = 0; điện áp đặt 10v - Vị trí: Nhận xét: Cần 6s để đạt vị trí mong muốn - Tốc độ: 29 - Dòng điện: 3.3.2 Với momen cản Mc = 100; điện áp đặt 10v - Vị trí: Nhận xét: Cần 7s để đến vị trí mong muốn ổn định 30 - Tốc độ - Dòng điện 31 - Khi tăng điện áp đặt lên 15V, MC = 100 nhiều thời gian để đạt vị trí cần đến (hơn 9s) Nhận xét: Sau mô simulink ta thấy hệ điều khiển vị trí làm việc tốt có tải tải Tuy nhiên có sử dụng khâu hạn chế dòng nên tăng độ dài quãng đường nhiều thời gian để hệ đạt vị trí mong muốn 32 KẾT LUẬN Sau trình học tập nghiên cứu với hướng dẫn thầy Trần Tiến Lương Em hoàn thành nhiệm vụ giao đồ án : “Cho hệ truyền động vị trí sử dụng động – vít me truyền động cho đối tượng Xây dựng điều khiển cho hệ sử dụng động truyền động động chiều kích từ độc lập” Các nhiệm vụ là: - Xây dựng mô hình động chiều kích từ độc lập - Xây dựng mô hình điều khiển truyền động cho hệ - Tính chọn điều khiển - Mô đáp ứng Simulink với nhiễu tải khác đánh giá kết Trong trình thực hiện, làm em có nhiều sai sót, em mong nhận ý kiến đóng góp thầy Em xin chân thành cảm ơn! Tài liệu tham khảo: “Điều chỉnh tự động truyền động điện”- Bùi Quốc Khánh – Nguyễn Văn Liễn – Phạm Quốc Hải – Dương Văn Nghi, Nhà xuất khoa học kỹ thuật Hà Nội 2006 Giáo viên hướng dẫn Trần Tiến Lương Sinh viên Đinh Văn Mạnh 33